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Technique du froid & composants frigorifiques Technique du froid Technique du f

Technique du froid & composants frigorifiques Technique du froid Technique du froid & & composants frigorifiques composants frigorifiques Mohammed YOUBI-IDRISSI Chargé de Recherche, Cemagref Mohammed YOUBI-IDRISSI Chargé de Recherche, Cemagref LICENCE PROFESSIONNELLE MANAGEMENT DE LA CHAÎNE DU FROID - TRANSPORT ET LOGISTIQUE 1er Cours, 2006 2 Un peu d’histoire, … 2 1862 Développement d’une machine de production de glace par Ferdinand Carré (1824-1894) 1874 Développement d’une machine frigorifique à compression de vapeur pour conserver la viande et le transporter par Charles Tellier (1828-1913) Le froid s’élance à la conquête des industries agro-alimentaires : conservation des produits d’origine animale et végétale Le froid est présent dans les industries métallurgiques, mécaniques, chimiques, spatiales, … Le froid est un facteur de confort industriel ou individuel (climatisation, froid domestique) Le froid est présent le domaine médical : fabrication des médicaments, conservation du plasma sanguin, opérations microchirurgicales, … 3 Rappels et réflexions, … 3 Un travail mécanique peut être intégralement transformé en chaleur (1er principe) Un travail mécanique peut être intégralement transformé en chaleur (1er principe) Une chaleur ne peut pas être intégralement transformée en travail mécanique (2e principe) Une chaleur ne peut pas être intégralement transformée en travail mécanique (2e principe) La chaleur est une forme dégradée de l’énergie La chaleur est une forme dégradée de l’énergie Le 1er principe établit une conservation d’énergie Le 1er principe établit une conservation d’énergie Le 2e principe précise le sens d’évolution d’une transformation irréversible Le 2e principe précise le sens d’évolution d’une transformation irréversible Énoncé de Clausius « le passage de la chaleur d’un corps froid à un corps chaud n’a jamais lieu spontanément ou sans compensation » Énoncé de Clausius « le passage de la chaleur d’un corps froid à un corps chaud n’a jamais lieu spontanément ou sans compensation » Énoncé de Kelvin « un système qui parcourt un cycle mono- thermique, en contact avec une seule source de chaleur est incapable de fournir de travail » Énoncé de Kelvin « un système qui parcourt un cycle mono- thermique, en contact avec une seule source de chaleur est incapable de fournir de travail » 4 Machine frigorifique, PAC 4 Pompe de chaleur Energie Tsc Tsf Tamb = Tsf Tsc Tamb = Energie Machine frigorifique Déplacer une quantité de chaleur d'un niveau bas vers un niveau plus élevé de températurec Déplacer une quantité de chaleur d'un niveau bas vers un niveau plus élevé de températurec 5 Constitution d’une installation frigorifique 5 Composants annexes : le séparateur d’huile (5), le réservoir de liquide (6), le déshydrateur (7), le voyant liquide (8), la bouteille d’aspiration (9), le filtre d’aspiration (10) Composants principaux : le compresseur (1) le condenseur (2) le détendeur (3) l’évaporateur (4) 6 Diagramme de Mollier 6 Pression (bars) Enthalpie (kJ/kg) liquide vapeur liquide + vapeur point critique courbe de saturation liquide courbe de bulle courbe de saturation vapeur courbe de rosée La pression est présentée sur une échelle logarithmique Chaleur latente 7 Diagramme de Mollier 7 Terminologie Terminologie La distinction entre « gaz » et « vapeur » est floue. On parlera de : « gaz » s’il est improbable qu’il change de phase (l’air ambiant par exemple); « vapeur » si la probabilité d’occurrence d’un changement de phase est réelle. Vapeur saturée : vapeur en équilibre avec du liquide. Liquide saturé : en équilibre avec sa vapeur. Pression de saturation : pression à laquelle il y a équilibre entre phases pour une température donnée. Vapeur surchauffée : vapeur qui n’est pas en équilibre avec du liquide et ne peut donc contenir aucune trace de celui-ci. Liquide sous-refroidi : liquide qui n ’est pas en équilibre avec de la vapeur et ne peut donc contenir aucune trace de celle-ci. 8 Diagramme de Mollier 8 Tc T1c T2 < < P h Surchauffe Sous-refroidissement Courbes isothermes Courbes isothermes 9 Diagramme de Mollier 9 Au-delà du point critique •Il n’y a plus de changement de phase •Les isothermes se rapprochent progressivement de la forme hyperbolique, caractéristique d’un gaz idéal Continuité du passage de l’état liquide à l’état vapeur (Il n’y a pas de passage brutal entre les deux états) États métastables États métastables En réalité, en décrivant une isotherme, il peut y avoir : •un retard de vaporisation : liquide surchauffé •un retard de condensation : vapeur sous-refroidie évolution brusque vers l’état d ’équilibre normal dès la présence des germes de condensation ou des sites de nuclééation Remarques Remarques 10 Diagramme de Mollier 10 V1 [dm3/kg] V2 [dm3/kg] V1<V2 V3<V4 V3 V4 P h Courbes isochores Courbes isochores 11 Diagramme de Mollier 11 Courbes isentropiques Courbes isentropiques P h s1 s2 s3 s4 < < < 12 Diagramme de Mollier 12 Courbes isotitres en vapeur Courbes isotitres en vapeur x = 0 x = 1 P h 13 Diagramme de Mollier 13 Référence 14 Cycle de référence 14 Hypothèses : IRREVERSIBILITES MINIMALES Pas de résistances de transfert de matière Pas de résistances de transfert de matière Pas de pertes de pression Pas de pertes de pression Échange thermique réversible Échange thermique réversible Échange thermique entre fluide frigorigène et fluides secondaires dans les échangeurs uniquement Échange thermique entre fluide frigorigène et fluides secondaires dans les échangeurs uniquement Compresseur parfait : adiabatique, réversible Compresseur parfait : adiabatique, réversible 15 Cycle de Carnot 0 0 = − = + − k k o o k o T Q T Q W Q Q 15 La machine idéale de Carnot, réversible et sans frottement a permis de comprendre la conversion de chaleur en travail (1796-1832) Le cycle de Carnot est un cycle réversible entre deux sources de chaleur, il est composé de deux isothermes et de deux isentropes T s 1 2 3 4 1er PP 2ème PP o k o o c T T T W Q COP − = = 16 Cycle de référence 16 4-1 : absorption de chaleur 1-2 : élévation température 2-3 : rejet de chaleur 3-4 : bouclage 4 1 2 3 Évaporateur Condenseur Compresseur Détendeur Haute Basse Pression Pression 1 2 3 4 17 Cycle de référence 17 Tsf p0 δp=0 p0 constante To=Tsf To constante Évaporateur Évaporateur Pour un corps pur ou un mélange azéotrope : T1 = T4= To ; P1 = P4 = Po et X1 = 1 4 1 Aspiration : p et T constantes 18 Cycle de référence 18 Condenseur Condenseur δp=0 Pk constante Tk=Tsc Tk constante Pour un corps pur ou un mélange azéotrope : T3 = Tk ; P2 = P3 = Pk et X3 = 0 pk Tsc Conduite liquide : p et T constantes 19 Cycle de référence 19 Compresseur Compresseur Adiabatique + réversible Compression isentropique s1 = s2 pk 1 2 Refoulement compresseur = entrée condenseur 3 po 20 Cycle de référence 20 Détendeur Détendeur Wdet non récupéré Qdet négligeable Détente isenthalpe Détente irréversible pk 1 2 3 po 4 21 Cycle de référence 2 1 4 3 21 22 Cycle de référence 22 Évaporateur 1 4 0 h m h m Qo & & & − + = Condenseur 3 2 0 h m h m Qk & & & − + = Détendeur 4 3 0 h m h m & & − = Compresseur 2 1 0 h m h m W & & & − + = Variations des énergies cinétique et potentielle sont nulles Bilans énergétiques Bilans énergétiques 23 Cycle réel 23 Eau ou air Eau ou air 8 1 2 3 4 5 6 7 zone de compression fluide frigorigène surchauffé Zone de désurchauffe Zone de condensation Zone de sous-refroidissement Zone de détente de 100% liquide à un mélange de 20/30% vapeur et 70/80% liquide Mélange diphasique Zone d’évaporation Zone de surchauffe 24 Cycle réel 24 8 1 θ1> θ8 Ligne d’aspiration 3 2 θ2> θ3 Ligne de refoulement W & 1 2 m & m & app Q & Compresseur 5 4 θ5<> θ4 Ligne liquide Avec pertes thermiques et sans pertes de pression Avec pertes thermiques et sans pertes de pression 25 Cycle réel 8 1 2 2is 4 5 6=7 3 25 26 Cycle réel 26 2 3 P δ T δ θ ∆ Refroidissement Pertes de pression Pertes de pression en équivalent de température Avec pertes thermiques et pertes de pression Avec pertes thermiques et pertes de pression 27 Cycle réel 27 Avec pertes thermiques et pertes de pression Avec pertes thermiques et pertes de pression 1 2 3 4 5 6=7 8 28 Les frigorigènes 28 Fluides naturels NH3, HC, CO2 CFC : ChloroFluoroCarbures Molécules très stables, destructrices d’ozone (ODP élevé), premier frigorigène synthétique HCFC : HydroChloroFluoroCarbures Molécules moins stables que CFC, destructrices d’ozone (ODP faible), fluides de transition HFC : Hydrofluorocarbures ODP = 0, fluides de substitution CFC/HCFC/HFC participent CFC/HCFC/HFC participent à à l l’ ’effet de serre effet de serre Soumis Soumis à à des contraintes r des contraintes ré églementaires glementaires Types de frigorig Types de frigorigè ènes nes 29 Les frigorigènes 29 1930 : CFC R-12, ... 1860 : Fluides naturels CO2 ; SO2 uploads/Industriel/ techniques-froid.pdf